來源 | TsinghuaJoking

STC單片機的程序下載使用ISP模式，下載程序通過微機上串口，或者USB轉(zhuǎn)串口，與單片機上特定的下載端口相連進行下載。不需要任何第三方的下載器，調(diào)試器便可以完成單片機的開發(fā)，使用起來非常方便，但缺點是每次下載都需要人工復(fù)位才行。

本文介紹一種全自動STC下載電路，使得整個下載過程不需要人工干預(yù)，這就大大提高的程序的開發(fā)效率，使得通過下載-運行-測試 模式完成程序的開發(fā)。

STC下載模式介紹

STC單片機ISP下載程序過程具有非常確定的流程，通過以下三個步驟。

PC在TXD每隔10ms發(fā)送兩個相連的0xff字節(jié)；

單片機上電，并發(fā)送給相關(guān)的信息；

PC重新握手后繼續(xù)完成芯片的擦寫和下載程序。

其中單片機上電，進行冷啟動是一個必要的環(huán)節(jié)。往往在單片機設(shè)計的時候。這部分通過手動的機械開關(guān)來給單片機上電。設(shè)計的全自動下載電路就是來替代手動上電的環(huán)節(jié)。

為了避免單片機從下載串口管腳獲取電能，則需要通過電阻和二極管來進行有效的隔離。

相關(guān)的下載實驗參見下面的博文：

STC單片機下載實驗

STC下載程序界面。其中最低波特率設(shè)置為19200， 最高波特率設(shè)置為115200下載的成功率比較高。至于其它的設(shè)置為何單片機無法下載，還無法進行解釋。

▲ STC-ISP（V6.87C）下載程序界面

全自動下載電路

1. 基本原理

計算機下載程序時，會在串口（或者USB轉(zhuǎn)串口）的TXD管腳上出現(xiàn)低電平脈沖，并且在整個下載程序過程，TXD都會有低電平脈沖。設(shè)計的電路板可以通過檢測該低脈沖，來產(chǎn)生單片機電源上電控制脈沖，使得單片機斷電，然后重新上電。模擬原本手工操作的過程。

單片機供電部分，原本通過一個開關(guān)，現(xiàn)在是通過一個受控繼電器開關(guān)完成掉電和上電過程。

2. 電路的功能描述

根據(jù)前面描述的原理，全自動下載電路包括有兩部分：

USB轉(zhuǎn)串口電路：這部分是由PL2303（SOP-8）完成；

電源控制電路：這部分包括有兩個單穩(wěn)態(tài)時間定時電路和繼電器電路組成；

電路功能框架如下圖所示：

▲ 全自動下載電路框圖

關(guān)于USB轉(zhuǎn)串口部分可以參見博文“Prolific PL2303SA 調(diào)試［2］”中的內(nèi)容，在這里就省略了。

電源控制電路中，可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)定時器是將微機串口TXD上的脈沖合并成一個大的脈沖。該脈沖再驅(qū)動后面的單穩(wěn)態(tài)定時器形成一個電源開關(guān)脈沖信號，驅(qū)動繼電器完成單片機的電源開關(guān)。

觀察STC的下載程序的波形，可以看到在整個下載過程中，脈沖中的最大時間間隔在0.5~1秒鐘，所以設(shè)計可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)定時器的時間常數(shù)需要大于一秒鐘。

▲ STC下載程序過程

考慮到單片機掉電過程中，電路中包括有儲能電源濾波電容，需要放電，根據(jù)手工測試，掉電時間大于1秒鐘基本上可以保證單片機電路可靠掉電。所以第二個單穩(wěn)態(tài)定時器的時間設(shè)置為1秒鐘。

使用繼電器來控制單片機的電源，可以適應(yīng)單片機電路工作不同的電流范圍。這比使用半導(dǎo)體開關(guān)器件有更加可靠的控制效果。另外，這也可以將調(diào)試電路的工作電源與下載板的工作電源有效的隔離。

3. 電路原理圖

（1）電路圖

全自動程序下載接口板的原理圖如下圖所示。

▲ 全自動程序下載接口板

（2） 電路功能描述

定時器使用施密特反相器74HC14來設(shè)計。由于HC14中包括有六個相同的反相器，而在實際中只需要三個。所以為了保證工作的可靠和接近理想狀態(tài)，就將HC14中六個反相器并聯(lián)成三個反相器。

第一組反相器是對TXD信號進行隔離，并驅(qū)動后面的二極管+RC電路。二極管D1， 電阻R11，電容C1，C2組成了可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路，由第二組反相器整形后，驅(qū)動后面的單穩(wěn)態(tài)定時器。

第二組定時器是由電容C20，電阻R12以及D3組成，最后經(jīng)過第三組反相器形成開關(guān)脈沖，通過三極管T1驅(qū)動繼電器RL1完成單片機電源的斷開與接入。

PL2303輸出的RXD信號也通過繼電器RL1另外一組開關(guān)與單片機相連，這樣也可以確保在單片機斷電的時候，RXD不會給單片機供電。PL2303的TXD還是通過二極管D2與單片機相連，可以在單片機掉電時不向單片機供電。

（3）輔助電路功能

除了上面主要電路功能之外，按鈕BTN1可以實現(xiàn)手動控制繼電器的開關(guān)，在必要的時候手動控制下載過程。

發(fā)光二極管LED顯示可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)。當(dāng)它滅的時候，才能夠進行下一次程序下載；當(dāng)LED亮的時候，說明上一次下載過程還沒有完成，此時不能夠進行下載程序。

4. PCB板

繪制實驗電路，其中為了適合快速單面制版，對電路元器件的布局和布線做了考慮。如果使用商業(yè)制版，可以考慮雙面排布元器件，以便進一步縮小電路的面積。

經(jīng)過快速制版和焊接，形成全自動下載電路的測試版。

根據(jù)原理圖設(shè)計，下載板的五個引線的功能定義如下表所示：

序號功能符號

1工作電源+5V

2單片機電源+5VC

3底線GND

4串口輸入RXD

5串口輸出TXD

功能測試

1. 測試單片機系統(tǒng)

使用STM15W415AS單片機的實驗板作為測試，利用面包板固定測試單片機電路板。將下載板的接口通過面包板與測試單片機板的電源、下載串口線相連。

▲ 全自動下載板與測試電路

2. 測試過程

設(shè)置STC的ISP程序，選擇MCU型號，調(diào)入測試程序。設(shè)置最低波特率為19200， 最高波特率115200。

（1）測試下載程序

按動下載/編程按鈕，便可以開始下載程序。此時下載板上的繼電器會自動斷開一秒鐘，然后重新上電。ISP程序完成握手信號之后，對單片機進行擦除、編程等過程。當(dāng)操作成功之后，經(jīng)過大約2秒鐘，下載板上的LED熄滅。之后便可以進行下一次的程序下載了。

▲ 自動下載程序

（2）測試“檢測MCU選項”

按動“檢測MCU選項”，可以自動完成單片機的選項測試。

小結(jié)

在單片機開發(fā)中，為了簡化調(diào)試過程，可以通過迭代“下載-運行”過程完成程序的開發(fā)驗證過程。使用全自動下載電路板，則可以避免在程序下載過程中的手動開關(guān)，提高程序開發(fā)的效率。

在STC-ISP程序中，包括有“當(dāng)目標(biāo)文件變化時自動裝載并發(fā)送下載命令” 選項，利用該選項，可以在程序開發(fā)IDE完成對工程文件編譯之后，自動觸發(fā)ISP程序下載。此時，全自動下載板將原來手工對電源控制的過程省略，實現(xiàn)了程序的修改-編譯-下載-觀察的自動過程，提高了程序開發(fā)的效率。

下面使用touch命令來模擬修改HEX文件，可以看到可以直接觸發(fā)ISP程序完成自動單片機程序下載。

本文所涉及到的電路板的AltiumDesign工程文件可以CSDN中下載。

編輯：jq